基于AFE4490的无创血氧检测系统设计

张纯青，千 博

（西安电子科技大学 机电工程学院，陕西 西安 710071）

随着科技的进步和社会的发展，人们越来越重视自身的健康。在当今医疗保健社区化、家庭化形势下，便携式生理监测设备应运而生，并且越来越受到青睐[1]。氧在维持个体正常生理活动中起着至关重要的作用，血氧饱和度（SpO2）是人体一项重要的生理参数。血氧含量较低时，对组织和细胞进行新陈代谢是尤为不利的，甚至威胁生命[2]。为了反映人体是否具有足够的氧气供应和衡量心血管系统的健康水平，现代血氧饱和度测量采用一种非侵入式光学测量方法[3]。把光电传感器放置在组织测量部位两侧（比如手指、耳垂）。光在人体组织中动脉血的吸收量会随着波动而变化，而光在骨骼、肌肉、皮肤以及静脉血等组织吸收不变。根据血氧饱和度定义和Lambert-Beer定律，利用红光和红外光在人体组织中含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白透射吸收率不同这一特性，进而能够快速计算出血氧含量。

1 血氧饱和度概念及测量原理

血氧饱和度（SpO2）是外围毛细血管含氧血红蛋白的百分比，可以用下面的方程来表示：

其中，[HbO2]是含氧血红蛋白浓度，[Hb]是脱氧血红蛋白浓度。HbO2和Hb光学吸收光谱如图1所示。

由图1可知，光在人体组织血液中含氧血红蛋白与脱氧血红蛋白在不同波段Red区域（600～700 nm）和IR区域（900～1 000 nm）吸收特性存在相当明显的差异。由于动脉血变化对Red光和IR光吸收量改变，看作是交流分量（AC），其他组织透射光吸收量不变，作为直流分量（DC）。进而计算得到光吸收比R[4]。

式中Δφ，Δφ′分别为动脉血液变化对红光和红外光吸收量改变。

经过大量的实践验证，血氧饱和度经验公式：

图1 HbO2和Hb吸光度

式中，A，B，C为常数，可以根据实际系统测试标定。本文采用Fluke Index 2血氧模拟仪对式（3）进行标定标，定标曲线如图2所示。

图2 定标曲线

2 采集信号硬件电路设计

本文所设计并采用的硬件电路是根据主控芯片STM32F103和模拟前端AFE4490及其外围电路搭建起来的。将采集得到的PPG信号传输到AFE4490进行预处理。

AFE4490是TI公司推出的一款非常适用于脉冲血氧仪的高度集成模拟前端。该芯片包含一个具有22位数模转换低噪声接收通道，一个LED传输组件和针对LED故障检测以及传感器的诊断功能。血氧探头采集得到的透射光信号通过光电二极管转换成电信号传输到相应的接收通道经过一个差分电流—电压跨阻放大器，其反馈电阻把光电二极管输入电流值转换成对应的电压值，紧接着对原始PPG信号进行消除环境光噪声，然后经过一系列滤波处理去除其他信号干扰，最后A/D进行模数转换，通过SPI接口传输数字信号至单片机。

3 测试结果

本文所设计的无创检测血氧饱和度模块对身体健康人体测量PPG信号。首先要进行的就是小波db6降噪处理。如图4所示。

图4 原始脉搏波信号与滤波信号对比

测试结果如表1所示。

表1 测试结果

4 结语

本文提出了采用高度集成芯片模拟前端AFE4490进行血氧饱和度测量，并提出使用db6小波对原始PPG信号进行去除噪声处理，取得了良好的效果以及相对精确的计算结果，下一步将考虑一些抗干扰处理，比如运动干扰、弱灌注的处理，以进一步提高血氧饱和度在这两种情况下的测量准确度和精度。